ul. Hebanowa 8 75-638 Koszalin
R E C E N Z J A
rozprawy doktorskiej mgr inż. Marka Gazińskiego nt.:
„Badanie powietrznych pomp ciepła”
Opinia została opracowana na zlecenie Dziekana Wydziału Maszyn Roboczych i Transportu Politechniki Poznańskiej prof. dr hab. inż. Franciszka Tomaszewskiego – Umowa o dzieło nr DR-63/482/2015 z dnia 07.07.2015 r.
Promotorem recenzowanej pracy jest prof. nadzw. dr hab. inż. Krzysztof Bieńczak - profesor Politechniki Poznańskiej.
1. Zawartość rozprawy
Recenzowana rozprawa obejmuje 184 strony i została podzielona na osiem rozdziałów. Do- datkowo podano: bibliografię, trzynaście załączników oraz spis rysunków i tablic. W treści rozprawy zawarto:
1. Wstęp, gdzie podano wprowadzenie oraz opisy wzrostu zastosowań pomp ciepła w Pol- sce i na świecie.
2. Aktualne problemy w budowie i zastosowaniu pomp ciepła wraz z analizą rodzajów dolnego źródła ciepła. Podano informacje na temat pozyskiwania energii ze źródeł odna- wialnych. Opisano konstrukcje stosowanych wymienników i innych urządzeń z nimi współpracujących. Podano przykłady praktycznego zastosowania pomp ciepła w przemy- śle i budynkach mieszkalnych.
3. Analiza rozwiązanego problemu oraz cel i zakres pracy.
4. Opis metodyki badań i stanowisk badawczych, gdzie podano wielkości obliczeniowe charakteryzujące pompy ciepła, ich wydajność, sprawność oraz efektywność działania.
Przedstawiono schematy stanowisk badawczych, które wykorzystano do badania pomp ciepła, opisano wybrane urządzenia, przyrządy pomiarowe podano zależności obliczenio- we itp.
5. Wyniki własnych badań eksperymentalnych, które zrealizowano dla trzech rodzajów powietrznych pomp ciepła, tzn. „powietrze/woda”, „powietrze/powietrze”, pompa po- wietrzna inwersyjna: dwa na potrzeby ogrzewnictwa i jeden dla klimatyzacji.
6. Analiza wpływu rodzaju czynnika roboczego i konfiguracji obiegu na efektywność pracy pompy ciepła. Wskazano na potrzebę poszukiwania nowych perspektywicznych czynników chłodniczych. Opisano rodzaje obiegów lewobieżnych wykorzystywanych w budowie współczesnych pomp ciepła.
7. Metody oceny rozwiązań konstrukcyjnych pomp ciepła, gdzie zaproponowano wyko- rzystanie sprawności Lorentza i sprawności wymienników ciepła: skraplacza i parownika.
8. Ocena sprawności pomp ciepła wybranych producentów, którą przeprowadzono w oparciu o dane katalogowe. Uzyskane wyniki obliczeń porównano z wynikami wła- snych badań eksperymentalnych.
9. Podsumowanie i wnioski, gdzie wyeksponowano główne osiągnięcia Autora w zakresie tematu rozprawy.
10. Bibliografia, która obejmuje 201 pozycji literaturowych krajowych i zagranicznych.
11. Załączniki, które zawierają dane katalogowe pomp ciepła różnych producentów oraz wy- brane przykłady wyników badań własnych Doktoranta.
2. Cel i zakres pracy
Doktorant na podstawie analizy źródeł literaturowych w rozdziale trzecim podał cel i zakres swojej rozprawy. Przyjął, że celem rozprawy jest „poszukiwanie sposobów doskona- lenia pomp ciepła oraz przeprowadzenie badań i analiz mających na celu ocenę doskonałości rozwiązania konstrukcyjnego danej pompy ciepła”. Mając na uwadze realizację celu rozprawy Doktorant opracował koncepcję budowy trzech stanowisk badawczych, na których przepro- wadził systematyczne badania eksperymentalne pomp ciepła pracujących w warunkach cało- rocznych, stosowanych w ogrzewnictwie oraz klimatyzacji. Uzyskane wyniki porównał z wynikami obliczeń katalogowych różnych producentów pomp ciepła. Zaproponował także kryteria oceny stopnia doskonałości pomp ciepła, bardzo przydatne w praktyce inżynierskiej.
Poprzez realizację wyżej wymienionego zakresu prac Doktorant w pełni zrealizował cel swo- jej rozprawy doktorskiej.
3. Rozwinięcie celu i zakresu pracy
Przedstawiona do oceny rozprawa doktorska dotyczy wskazania kierunków poprawy efek- tywności działania maszyn i urządzeń energetycznych, do których należą pompy ciepła. Dzia- łania te wymuszone są potrzebą racjonalnego gospodarowania energią, rachunkiem ekono- micznym i ochroną środowiska naturalnego człowieka. Wzrost zastosowania pomp ciepła, poprawa ich konstrukcji i sprawności przyczyni się do ograniczenia zużycia energii pierwot- nej i zmniejszenia efektu cieplarnianego. Dlatego należy uznać, że temat podjęty przez Dok- toranta jest bardzo aktualny a rozwiązywane problemy są istotne ze strony aplikacyjnej. Dok- torant po krótkim wprowadzeniu, przeprowadził szeroką analizę rynku pomp ciepła. Wykazał, że występuje w ostatnich latach tendencja wzrostu produkcji i sprzedaży pomp ciepła na świecie i w Polsce. Następuje ciągłe doskonalenie ich jakości, wzrasta konkurencja i spek- trum zastosowań. Rodzi to potrzebę prowadzenia dalszych badań i analiz pozwalających określić nowe sposoby oceny doskonałości tych wyrobów. Mając powyższe na uwadze Dok- torant w rozdziale trzecim swojej rozprawy, obok celu pracy, podał jej zakres, który obejmu- je:
- prace badawcze pomp ciepła na stanowiskach własnej konstrukcji według zaproponowanej metodyki,
- przeprowadzenie analizy własności czynników roboczych wraz z kryteriami ich wyboru, które zapewnią bezpieczeństwo eksploatacji i wysoką efektywność,
- dokonanie krytycznej oceny sprężarek stosowanych w pompach ciepła oraz wskazanie me- tod ich doboru,
- poszukiwanie prostej, a zarazem przekonywującej metody oceny doskonałości pomp ciepła i wpływu doboru komponentów na wynik jej działania,
- wytyczenie kierunku i zakresu dalszych badań.
Rozdział czwarty rozprawy dotyczy metodyki badań, opisu stanowisk badawczych i przeprowadzonych badań eksperymentalnych. Doktorant przedstawił zależności opisujące działanie pomp ciepła, a w szczególności strumienie energii i współczynniki sprawności. Na potrzeby badań eksperymentalnych powietrznych pomp ciepła zaprojektował i zbudował trzy stanowiska, które pracowały w warunkach eksploatacyjnych. Pierwsze stanowisko badawcze przeznaczone było do badań typowych pomp ciepła „powietrze-woda” o mocy grzewczej do 16 kW, w którym pompa ciepła ogrzewała budynek mieszkalny oraz zapewniała ciepłą wodę użytkową i ogrzewała basen. Stanowisko to umożliwiało prowadzenie badań przez cały rok.
Drugie stanowisko badawcze przystosowano do badań pomp ciepła typu monoblok lub split o mocy do 70 kW, które ogrzewały budynek biurowy. Prowadzenie badań było możliwe tylko w sezonie grzewczym. Stanowisko trzecie wykorzystano do badania rewersyjnych pomp cie- pła, wbudowanych w centralę klimatyzacyjną. Istniała możliwość pracy pompy ciepła w sys- temie grzania lub chłodzenia. Przeprowadzone badania eksperymentalne umożliwiły określe- nie struktury zapotrzebowania ciepła w wybranych obiektach, śledzenie zmienności obciążeń cieplnych w ciągu roku, wyznaczenie rzeczywistych współczynników efektywności COP badanych pomp ciepła, porównanie własności pomp ciepła różnych producentów.
W rozdziale piątym rozprawy Doktorant przeprowadził obszerną analizę związaną z wy- borem perspektywicznych czynników roboczych do zastosowania w powietrznych pompach ciepła. W oparciu o różne rodzaje konfiguracji lewobieżnego obiegu termodynamicznego i akty prawne Unii Europejskiej ograniczające zakres i rodzaj stosowania czynników robo- czych, zaproponował do praktycznego wykorzystania rozwiązania konstrukcyjne obiegów pomp ciepła oraz wskazał na czynniki robocze, które znajdą w nich zastosowanie. Będą to czynniki o niskim potencjale tworzenia efektu cieplarnianego GWP, które zastąpią stosowane obecnie, np. R410A i R134a. Wśród nich należy wymienić czynnik R1234ze (lub R1234yf), którego własności są nieznacznie lepsze od czynnika R134a. W przypadku kaskadowych pomp ciepła, w dolnym obiegu może być wykorzystywany dwutlenek węgla lub amoniak.
Z przeprowadzonej analizy wynika, że w powietrznych pompach ciepła wymaganą sprawność dla wyższych temperatur górnego źródła ciepła mogą zapewnić tylko i wyłącznie obiegi dwu- stopniowe lub kaskadowe. Potwierdzają to również wyniki krytycznej oceny sprężarek stoso- wanych w pompach ciepła oraz zaproponowany wybór sprężarek, zwłaszcza spiralnych zasi- lanych inwertorowo.
W rozdziale szóstym Doktorant zaproponował proste, a zarazem przekonywujące metody oceny doskonałości pomp ciepła i wpływu doboru komponentów na wynik ich działania. Do- tyczy to wykorzystania sprawności egzergetycznej (którą nazwał sprawnością Lorentza) do określenia rzeczywistej sprawności pompy ciepła, która pozwala na obiektywną ocenę efek- tywności jej pracy oraz przeprowadzenie porównania ze sobą różnych typów i o różnej wiel- kości pomp ciepła. W oparciu o przeprowadzone analizy i badania wykazano w pracy, że sprawność Lorentza wybranych pomp ciepła jest w rzeczywistości zauważalnie niższa od teoretycznej i wynosi od 0,2 do 0,4, w stosunku do podawanego przez producentów zakresu 04 ÷ 0,7. Na uwagę zasługuje również zastosowanie metody sprawnościowej dla doboru wy- mienników ciepła: skraplaczy i parowników. Według Doktoranta jest to doskonałe narzędzie do oceny doboru wymienników. Umożliwia bowiem ocenę doboru i konstrukcji wymiennika na podstawie pomiarów temperatury czynników dopływających i wypływających z układu.
Pozwala też określić charakterystykę eksploatacyjną wymiennika. W podanym przykładzie badawczym stwierdzono, że sprawność skraplacza była znacznie mniejsza od sprawności pa- rownika. Wskazuje to, że można poprawić sprawność pompy ciepła poprzez zwiększenie po- wierzchni wymiany ciepła skraplacza, co jest stosukowo mało kosztowne.
Rozdział siódmy zawiera ocenę sprawności pomp ciepła różnych producentów. Analizę prowadzono w oparciu o dane katalogowe i programy doborowe. Stwierdzono, że wyniki obliczeń sprawności pomp ciepła uzyskane na podstawie badań eksperymentalnych Doktoran- ta były niższe od sprawności obliczonych na podstawie danych katalogowych. Może to być, między innymi, spowodowane zabiegiem marketingowym producentów.
W zakończeniu pracy zwrócono uwagę na potrzebę podnoszenia sprawności powietrznych pomp ciepła oraz wskazano w jakim kierunku należy prowadzić dalsze prace badawcze.
4. Oryginalność i wartości poznawcze pracy
Zaprezentowany cel i zakres rozprawy doktorskiej wynikają z potrzeby prowadzenia badań naukowych o charakterze poznawczym i stosowanym. Pomimo prowadzenia w ostatnich la- tach intensywnych prac nad doskonaleniem sprężarkowych pomp ciepła, ich efektywność energetyczna nie jest w dalszym ciągu zbyt wysoka. Nowe rozwiązania pozwalają wprawdzie uzyskać wysokie temperatury medium grzewczego, ale przy zbyt dużych nakładach energe- tycznych. Dlatego podjęta tematyka pracy, jej cel i zakres są bardzo aktualne i potrzebne, za- równo pod względem naukowym, jak i aplikacyjnym.
Należy podkreślić oryginalność wyboru tematyki rozprawy doktorskiej. W ostatnich la- tach wzrasta zapotrzebowanie na nowe rozwiązania instalacji pomp ciepła, w szczególności z dolnym źródłem ciepła w postaci otaczającego powietrza atmosferycznego. Trwają prace badawcze związane z podnoszeniem temperatury tzw. źródła górnego, co związane jest z trudnościami uzyskania względnie dużej sprawności układu. Dlatego wybór tematu i wska- zanie możliwości doskonalenia lewobieżnych obiegów termodynamicznych rozwijają w znacznym stopniu aktualny stan wiedzy.
Niewątpliwie oryginalnym osiągnięciem Doktoranta jest opracowanie koncepcji i zbudo- wanie trzech stanowisk badawczych, na których przeprowadził badania eksperymentalne w warunkach eksploatacyjnych całego roku. Uzyskane wyniki pozwoliły na ocenę porów- nawczą pracy kilku typów pomp ciepła różnych producentów. Doktorant określił wartości wskaźnika wydajności cieplnej badanych pomp ciepła COP oraz średnioroczną wartość tego współczynnika. Uzyskane wyniki wykazały, że rzeczywiste wartości wydajności cieplnej i sprawności pomp ciepła są często znacznie niższe od podawanych w katalogach producen- tów.
Interesujące są wyniki kilku analiz przeprowadzonych na podstawie dostępnej literatury, przepisów Unii Europejskiej, danych katalogowych i programów doborowych producentów.
Dotyczy to poszukiwania nowych, proekologicznych czynników roboczych oraz nowych ty- pów sprężarek i rodzajów instalacji przewidywanych do zastosowania w następnych latach.
W rozprawie podano kierunki rozwoju pomp ciepła oraz wytypowano czynniki robocze i typy obiegów lewobieżnych, które znajdą zastosowanie. Wskazuje to na dużą wiedzę Dokto- ranta w zakresie techniki grzewczej, chłodniczej i klimatyzacyjnej.
Na wyróżnienie zasługuje zaproponowanie dwóch metod oceny doskonałości pomp ciepła i wpływu doboru komponentów na wynik ich działania. Dotyczy to wykorzystania sprawno- ści Lorentza do określenia rzeczywistej sprawności pompy ciepła oraz sprawności wymienni- ków do doboru skraplaczy i parowników. Pozwala to na obiektywną ocenę efektywności pra- cy pompy ciepła i jej wymienników. Umożliwia prowadzenie analiz porównawczych różnych typów pomp ciepła oraz jej poszczególnych elementów.
Reasumując Doktorant wykazał, że w przypadku powietrznych pomp ciepła istnieje moż- liwość ich doskonalenia (poprzez zmianę konstrukcji i rodzaju czynnika roboczego) oraz wskazał metody oceny takiego działania.
5. Wartości użytkowe pracy
Prezentowana rozprawa doktorska ma duże znaczenie aplikacyjne. Dotyczy ona istotnego problemu poprawy efektywności energetycznej maszyn i urządzeń energetycznych. Problem ten jest szczególnie ważny w przypadku powietrznych pomp ciepła, które obecnie znajdują coraz większe zastosowanie. Biorąc pod uwagę ich zalety w postaci możliwości uzyskiwania efektu grzejnego przy niskich nakładach eksploatacyjnych, ich rola w ogrzewnictwie przemy- słowym i w budynkach mieszkalnych będzie nadal wzrastać. Powietrzne pompy ciepła w wa- runkach geograficznych Polski pracują zimą w niekorzystnych warunkach temperaturowych (niska temperatura dolnego źródła ciepła), ich sprawność jest niska. Dlatego należy prowadzić dalsze prace nad poprawą ich efektywności. Dotyczy to zarówno poprawy konstrukcji obiegu, stosowanych sprężarek, jak i wprowadzenia do użytku nowych czynników roboczych. Dlate- go bardzo dobrze, że Autor recenzowanej rozprawy podjął próbę realizacji tej problematyki w warunkach polskich. Jej dalsze rozwijanie może przynieść wymierne efekty w tym zakre- sie. Rezultaty prac znajdą zastosowanie w ogrzewnictwie i klimatyzacji. Prezentowana roz- prawa jest istotnym wkładem do poszukiwania nowatorskich rozwiązań w ogrzewnictwie oraz szeroko pojętego działania zmierzającego do podnoszenia efektywności i sprawności procesów w gospodarce energetycznej.
6. Uwagi krytyczne i dyskusyjne
Uwagi o charakterze merytorycznym
1. Na stronie 7 rozprawy napisano: „W Polsce pompy ciepła są od niedawna, dzięki ustawo- dawstwu UE, uznawane za odnawialne źródło energii”. Nie jest to całkowicie prawdą.
Decyzja Komisji Europejskiej z 1.03.2013 r. nr 2013/114/UE (C(2013), 1083) zawiera wytyczne dla państw Unii Europejskiej dotyczące szacowania ilości energii odnawialnej pochodzącej z różnych typów pomp ciepła. Przyjęto, że minimalna wartość średniorocz- nego współczynnika wydajności COP dla sprężarkowych pomp ciepła zasilanych energią elektryczną powinna wynosić co najmniej 2,5. Oznacza to, że jeżeli współczynnik COP 2,5, wówczas dopiero energia dostarczana przez pompę ciepła może być uznana, jako od- nawialna w rozumieniu Dyrektywy 2009/28/WE. Wytyczne wynikające z Zarządzenia Ministra Gospodarki z 04.04.2014 r. oraz zawarte w postanowieniach norm PN-EN14511 i PN-EN14825 pozwalają na obliczenie ilości energii pobranej przez pompę ciepła z OZE.
Jest to szczególnie ważne dla powietrznych pomp ciepła.
2. Doktorant zaprojektował i zbudował trzy stanowiska badawcze pomp ciepła. Jednak me- todykę pomiarów opisał bardzo oszczędnie, nie podając zbyt wielu szczegółów. Ogólnie opisał zastosowane czujniki i mierniki pomiarowe. Brak jest określenia błędów pomiaro- wych poszczególnych przyrządów, zakresu błędów wyników pojedynczych pomiarów i wielkości obliczonych. Zapewne dokładność pomiarów jest wystarczająca dla badań sto- sowanych, jednak podanie rachunku błędów podniosłoby wartość uzyskanych wyników.
3. Prowadząc badania pomp ciepła nie przewidziano pomiarów natężenia przepływu czynni- ka chłodniczego w instalacji obiegu pompy ciepła. Zastosowanie przepływomierza zwięk- szyłoby znacznie dokładność prowadzonych pomiarów i analiz.
4. W przypadku stanowiska pierwszego i drugiego moc cieplną pompy wyznaczano od stro- ny podgrzewanej wody za pomocą ciepłomierza, co można uznać za prawidłowe. Jednak w przypadku pompy ciepła pracującej w systemie klimatyzacji nie mierzono wydajności cieplnej pompy (czy to od strony czynnika roboczego, czy powietrza). Istnieje za tym py-
tanie – w jaki sposób określono wartości mocy cieplnej i współczynnika wydajności COP podane w tablicy 4 na stronie 81?
5. Na str. 114 Autor podaje definicję sprawności Lorentza wzorem (15). W analizie energe- tyczno-egzergetycznej maszyn cieplnych roboczych, w tym pomp ciepła jest to klasyczna definicja sprawności egzergetycznej. Została ona wprowadzona i oznaczona symbolem b
przez prof. Jana Szarguta i jego współpracowników.
6. Na rys. 137, str. 115, podano wartości sprawności Lorentza obiegów chłodniczych dla różnych czynników. Jednak w opisie rysunku nie podano, w jaki sposób określono współ- czynnik wydajności COP dla warunków rzeczywistych.
7. Na str. 115, 9 wiersz od dołu: „Rys. 138 podaje sprawność Lorentza dla wybranych sprę- żarek trzech producentów”. Należy zaznaczyć, że sprawność Lorentza nie dotyczy spręża- rek, tylko obiegów pomp ciepła.
8. Rozdział 7 na stronie 130 został zatytułowany „Ocena sprawności pomp ciepła”. Proszę o jednoznaczne sformułowanie, co Autor rozumie pod ogólnym pojęciem „sprawność pompy ciepła”.
9. W pracy zbyt mało miejsca poświęcono układom kaskadowym pomp ciepła, właściwie tylko dwie strony: 94 – 95. Autor nazywa je dwubiegowe i podaje, ze stosowane są w wy- sokosprawnych, wysokotemperaturowych powietrznych pompach ciepła. Jaka jest celo- wość ich stosowania oraz jakie wymierne korzyści można uzyskać?
10. W treści pracy używane są w dużej liczbie zwroty żargonowe, np. „ciepło z gruntu, cie- czy, powietrza itp.” – str. 21 ÷ 31, „zapotrzebowanie na zimno” (str. 45), „powrót z tech- nologii” – str. 57, „wysoki parametr grzejny” (str. 76), itd. W opracowaniach naukowych należy unikać tego typu „skrótów myślowych”.
Uwagi edytorskie
- ogólne
Należy podkreślić bardzo dobry poziom przygotowania rozprawy doktorskiej pod względem edytorskim. Zwraca uwagę wysoka jakość rysunków, formatowania i styl wzorów. Jednak pomimo starannego sprawdzenia tekstu Autor nie ustrzegł się kilku błędów:
- szczegółowe
1. Na rys. 2 (str. 9) brak jest jednostek na osi poziomej wykresów.
2. Na str. 65, 3 wiersz od góry, jest niedokończone zdanie: „Program umożliwia analizy w oparciu o średnie dobowe i średnie miesięczne.” Nie podano czego to dotyczy.
3. Na str. 73, 12 wiersz od góry, zapisano: „Zainstalowano…termometr mierzący tempera- turę po przejściu przez parownik…” – nie podano czego – powietrza czy czynnika robo- czego?
4. Strona 95, 1 wiersz od góry, zawiera zdanie: ”…przy dużej różnicy pomiędzy górnym i dolnym źródłem ciepła…” – nie wskazano, że chodzi o różnicę temperatury.
5. Autor rozprawy w wielu wypadkach cytuje rysunki z literatury zagranicznej, gdzie wy- stępują oznaczenia i napisy w języku angielskim lub niemieckim. Należało zmienić opis na język polski.
6. W niektórych wierszach występują przed znakami interpunkcji wolne miejsca, które na- leżało usunąć.
7. Uwagi końcowe
Prezentowana rozprawa doktorska napisana jest zwięźle, rzeczowo i w sposób zrozumiały.
Podane uwagi krytyczne mają charakter dyskusyjny i powinny być inspiracją dla Doktoranta do dalszych analiz teoretycznych i badań eksperymentalnych, dotyczących nowatorskich rozwiązań konstrukcyjnych w zakresie maszyn i urządzeń energetycznych. Uwagi te nie po- mniejszają wartości opiniowanej pracy, którą oceniam wysoko.
8. Wniosek do Rady Wydziału Maszyn Roboczych i Transportu Politechniki Poznań- skiej
Przedstawiona do oceny rozprawa doktorska jest wartościową pracą naukową. Doktorant wy- kazał się umiejętnością formułowania problemów badawczych i rozwiązywania ich przy uży- ciu właściwych metod naukowych. Wykazał także umiejętności wykorzystania istniejącej wiedzy z zakresu techniki cieplnej w prowadzeniu analiz teoretycznych, obliczeń kompute- rowych, badań eksperymentalnych i opracowaniu uzyskanych wyników pomiarów. Obok wysokiego poziomu naukowego rozprawy, należy podkreślić duży stopień jej aplikacyjności.
Wnioskuję o przyjęcie pracy mgr inż. Marka Gazińskiego, jako rozprawy doktorskiej spełnia- jącej wymagania Ustawy o stopniach i tytule naukowym i dopuszczenie jej do publicznej obrony. Praca ta stanowi znaczące osiągnięcie Autora i jest istotnym wkładem do poszukiwa- nia nowatorskich rozwiązań w zakresie pomp ciepła oraz szeroko pojętego działania zmierza- jącego do podnoszenia efektywności i sprawności procesów w gospodarce energetycznej.
